Paleoklimatologia: sekrety rdzeni lodowych

Kontynuujemy nasz cykl na temat sposobów badania historii klimatu. Tym razem wyjaśniamy, co mówią nam o klimacie rdzenie lodowe, które już od kilkudziesięciu lat wydobywamy na Antarktydzie i Grenlandii.

Lądolody to olbrzymie czapy lodowe narosłe na skalnym podłożu. Powstają w wyniku opadów śniegu: co roku pokrywa je nowa warstwa puchu, który z czasem osiada, jest przygniatany kolejnymi warstwami opadów, częściowo topnieje i znów zamarza, z czasem tworząc twarde pokłady lodu. Możemy w nim wykonywać odwierty i wydobywać z głębi lodowe cylindry, których kolejne warstwy odpowiadają kolejnym latom opadów śniegu. Rekordowy rdzeń lodowy EPICA z Antarktydy, o długości 3 kilometrów, sięga blisko 800 tysięcy lat wstecz.

Badania składu izotopowego lodu określą temperaturę

Możemy odróżniać kolejne warstwy lodowe i datować je na wiele sposobów. O warunkach termicznych, w jakich powstawały, mówi nam ich skład izotopowy. Molekuły wody zawierające ciężkie izotopy (deuter – ciężki izotop wodoru lub ciężki izotop tlenu ¹⁸O, (patrz również Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura) znajdujące się w parze wodnej, w niskiej temperaturze kondensują szybciej niż molekuły wody składające się z lekkich izotopów. Względna koncentracja ciężkich i lekkich izotopów wskazuje więc, jaka temperatura panowała podczas kondensacji. Dzięki tym badaniom udało się poznać historię zmian klimatu ostatnich setek tysięcy lat: długie okresy ostrych mrozów przerywane krótkimi okresami ciepłymi.

Przykładem takiej analizy jest rekonstrukcja klimatu Ziemi Baffina w okresie wcześniejszym, niż pozwala na to datowanie radiowęglowe. Dane z rdzeni lodowych pozyskanych z pobliskiego lądolodu Grenlandii pokazują, że ostatni okres, w którym letnie temperatury w tym regionie Arktyki mogły być równie wysokie co obecnie, miał miejsce około 120 tysięcy lat temu, czyli pod koniec poprzedniego interglacjału. Później, aż do nastania holocenu (11 700 lat temu) na Ziemi trwała epoka lodowa. Badacze mogli wyciągnąć więc wniosek, że obecne temperatury w regionie Arktyki kanadyjskiej nie mają precedensu w ostatnich 120 tysiącach lat.

Domieszki mówią o ciekawych zdarzeniach

W każdej warstwie można także znaleźć inkluzje (domieszki), takie jak przywiany pył, popiół czy izotopy radioaktywne. Rodzaj pyłu często pozwala nawet określić, z jakiego rejonu świata został on przywiany. Dzięki temu, że różnorodność wskaźników klimatycznych, które można pozyskać z rdzeni lodowych jest tak wielka, możemy badać temperaturę, poziom opadów, skład gazowy dolnych warstw atmosfery, erupcje wulkaniczne, rozmiar i typ pustyń, rozmiar czap polarnych czy pożary lasów.

Jeśli w danym roku występowała podwyższona aktywność wulkaniczna, to w rdzeniu znajdzie się ciemna warstwa przyniesionych wiatrem popiołów i związków siarki (tych wyemitowanych w dolne partie atmosfery i które szybko opadły na ziemię) tak jak na zdjęciu powyżej. Licząc warstwa po warstwie, można ustalić czas wystąpienia erupcji. Jeśli warstwa siarczanów pojawiała się zarówno na Antarktydzie i na Grenlandii, oznacza to wybuch wulkanu w tropikach; jeśli tylko w jednym miejscu – w umiarkowanych i wysokich szerokościach geograficznych odpowiedniej półkuli. Warstwy popiołów wulkanicznych są jedną z metod pozwalającą datować i wzajemnie kalibrować czasowo różne rdzenie lodowe i warstwy osadów.

Lód konserwuje też resztki organiczne. Na podstawie znajdowanych pod lądolodem resztek organicznych można określić, jakie żyły tam wtedy rośliny i zwierzęta.

Badanie bąbelków powietrza – skład dawnej atmsofery

W bąbelkach uwięzionego w lodzie powietrza znajdują się także gazy cieplarniane – dwutlenek węgla, metan i tlenek azotu, dzięki czemu można określić ich zawartość w dawnej atmosferze. Porównywanie stężeń uwięzionych w pęcherzykach gazów (np. metanu – gazu krótko żyjącego w atmosferze, ale dobrze zachowującego się w rdzeniach lodowych) pozwala również wzajemnie kalibrować czasowo rdzenie (więcej Mitchell i in., 2015, WAIS Divide Project, 2015)

Bardzo istotną kwestią jest rozdzielczość czasowa pomiarów gazów uwięzionych w rdzeniach lodowych. W danej warstwie nie znajduje się tylko i wyłącznie gaz z danego roku: dopóki śnieg pod własnym ciężarem nie zmieni się w firn (formę przejściową między śniegiem i lodem), a następnie twardy lód, gazy mogą w nim dyfundować – w danej warstwie można więc znaleźć gaz pochodzący z okresu wielu lat.

To, jak szybko nastąpi uwięzienie gazów w twardym lodzie, zależy od opadów śniegu – jeśli są duże, nastąpi to szybciej, jeśli małe – wolniej. Większe opady śniegu mają miejsce tam, gdzie jest cieplej (np. Antarktyda Zachodnia, przy czym przez „ciepło” mamy na myśli średnioroczne temperatury rzędu -30°C), a mniejsze tam, gdzie jest zimniej (położone wysoko tereny Antarktydy Wschodniej, np. okolice bieguna południowego).

Zanim gazy zostaną ostatecznie uwięzione w twardym lodzie, ulegają nie tylko rozmyciu pomiędzy sąsiednimi warstwami, ale też jako mniej gęste od lodu ulegają dyfuzji do góry. Aby dokonać kalibracji wieku i rozmycia pęcherzyków w lodzie stosuje się modele numeryczne uwzględniające parametry firnu, z którego ostatecznie powstał lód, takie jak tempo akumulacji śniegu, temperatura, zmiany gęstości firnu z głębokością itp. Poprawność kalibracji weryfikuje się, sprawdzając m.in. uzyskane wartości zmian koncentracji metanu w czasie (patrz rys. 4).

Badania pokazują, że w zależności od warunków, panujących w miejscu, w którym formował się lód, szczególnie temperatury i opadów, rozmycie czasowe uwięzionych w pęcherzykach gazów waha się od kilkunastu do nawet 300 lat (typowo jest to kilkadziesiąt lat). Najwyższe wartości dotyczą rdzeni pobranych w głębi Antarktydy, pozwalających sięgnąć najdalej w przeszłość. Pojawia się pytanie: czy pozwala to na uzyskanie satysfakcjonującej rozdzielczości czasowej? W szczególności, czy gdyby kiedyś nastąpił taki wzrost stężeń dwutlenku węgla jak obecnie, to byśmy to wykryli? Owszem, o ile bowiem duży impuls CO₂ może szybko podnieść jego koncentrację w atmosferze, to jego usuwanie trwa tysiące lat, a dla większych impulsów nawet setki tysięcy lat.

Wiarygodność wniosków z badania rdzeni lodowych

Dlaczego z dużym przekonaniem powołujemy się na dane pochodzące z analizy rdzeni lodowych? Mamy wiele powodów, by uznać płynące z nich wnioski za wiarygodne, między innymi:

• Najmłodsze próbki dają nam informacje zgodne z pomiarami instrumentalnymi.
• Różne próbki, pobrane w różnych miejscach, o różnych temperaturach i opadach, są ze sobą wzajemnie zgodne.
• Brak znaczącego rozmywania się stężeń uwięzionych w bąbelkach w lodzie gazów potwierdzają też przypadki „uszkodzeń”, kiedy do zamarzniętego lądolodu dostawała się woda z innego okresu, z odmiennym stężeniem np. CO₂ i innych gazów, a następnie zamarzała – te wtargnięcia są zlokalizowane, a dyfuzja gazów praktycznie nie występuje.
• Dane z rdzeni lodowych potwierdzają też porównania z danymi uzyskanymi za pośrednictwem innych metod, na przykład badania radionuklidów.

Ponieważ płynące z wnętrza Ziemi ciepło powoli topi znajdujące się w kontakcie ze skałami najgłębsze warstwy lodu, nie udało się w ten sposób pozyskać lodu starszego niż 800 tysięcy lat. Podejmuje się starania znalezienia miejsc z jeszcze starszym lodem, być może nawet sprzed 1,5 mln lat, do tej pory wydawało się to jednak najdalszą granicą wieku możliwych do pozyskania uwarstwionych rdzeni lodowych. Ostatnie badania pokazały jednak, że na Antarktydzie możemy znaleźć znacznie starszy lód – udało się pozyskać do analizy lód liczący sobie 2,7 mln lat, ponad trzykrotnie starszy od dotychczasowego rekordzisty, a możliwe, że uda się znaleźć i przebadać jeszcze znacznie starszy lód, uzyskując cenne informacje o klimacie z czasów sprzed cyklu epok lodowych, trwających przez ostatnie 3 miliony lat (więcej o tym w artykule Rekordowo stary, liczący sobie 2,7 mln lat rdzeń lodowy z Antarktydy).

Marcin Popkiewicz, Aleksandra Kardaś